オシロスコープ用コネクタの種類と選び方

オシロスコープ用コネクタの種類と選び方

オシロスコープ、プローブ、同軸ケーブル、測定治具の接続には、BNC、SMA、N型、MCX、MMCXなど、さまざまなコネクタが使用されます。

コネクタは形状だけでなく、特性インピーダンス、対応周波数、最大電圧、耐久性などが異なります。適切でないコネクタや変換アダプタを使用すると、信号反射、帯域幅低下、接触不良などの原因になります。

　
　
■測定用コネクタの役割

測定用コネクタは、信号源、プローブ、ケーブル、オシロスコープなどを電気的・機械的に接続します。

高速信号や高周波信号では、コネクタも伝送線路の一部として動作します。そのため、次の特性が測定結果へ影響します。

・　特性インピーダンス
・　対応周波数
・　挿入損失
・　反射特性
・　最大入力電圧
・　接触抵抗
・　シールド性能
・　接続耐久性

外観が似ているコネクタでも、仕様が異なる場合があります。

　
　
■BNCコネクタとは

BNCコネクタは、オシロスコープ、プローブ、信号発生器などで広く使用される同軸コネクタです。

差し込んで回転させるバヨネットロック構造を持ち、着脱が容易であることが特長です。

主な用途には、次のものがあります。

・　パッシブプローブの接続
・　差動プローブの出力
・　電流プローブの出力
・　信号発生器との接続
・　外部トリガ入力
・　低周波から中高周波の同軸測定

一般的な測定器では50Ωまたは高インピーダンス入力用のBNCが使用されます。

　
　
■50Ω BNCと75Ω BNCの違い

BNCコネクタには、主に50Ωと75Ωのタイプがあります。

50Ω BNCは一般的な電子計測、高周波信号、通信機器などで使用されます。75Ω BNCは映像、放送、映像伝送などで使用されます。

・　50Ω BNC：一般的なオシロスコープ測定に使用
・　75Ω BNC：映像・放送用システムに使用

インピーダンスが異なるコネクタやケーブルを組み合わせると、信号反射や振幅誤差が発生します。外観だけで判断せず、製品のインピーダンス表示を確認します。

　
　
■高インピーダンスBNC入力とは

オシロスコープのBNC入力には、1MΩなどの高インピーダンス入力が用意されている場合があります。

一般的な10Xパッシブプローブは、この高インピーダンス入力へ接続します。プローブ内部の抵抗・容量と、オシロスコープ入力の抵抗・容量を組み合わせて減衰回路を形成します。

高インピーダンス入力へ同軸ケーブルを直接接続すると、ケーブル終端が整合されず、信号反射が発生する場合があります。

　
　
■50Ω BNC入力とは

50Ω入力は、50Ω同軸ケーブルや50Ω信号源を整合終端するために使用します。

高周波信号の反射を抑えやすい一方、入力抵抗が低いため、測定対象へ大きな負荷を与えます。また、最大入力電圧と最大入力電力が低く設定されることがあります。

50Ω入力へ接続する前に、次の項目を確認します。

・　信号源の出力インピーダンス
・　ケーブルの特性インピーダンス
・　オシロスコープの入力設定
・　信号のピーク電圧
・　直流成分
・　50Ω入力の最大許容電力

高電圧信号を50Ω入力へ直接接続してはいけません。

　
　
■SMAコネクタとは

SMAコネクタは、ねじ式の結合構造を持つ小型高周波コネクタです。一般的に50Ω系の高周波測定で使用されます。

主な用途には、次のものがあります。

・　高速デジタル信号
・　RF信号
・　高速シリアル信号
・　ネットワークアナライザ測定
・　TDR測定
・　PCBテストポイント
・　高帯域プローブアクセサリ

ねじによって確実に接続でき、高周波で安定した特性を得やすいことが特長です。

　
　
■SMAコネクタの締付トルク

SMAコネクタは、適切なトルクで締め付ける必要があります。

締付けが弱いと接触が不安定になり、反射特性や再現性が悪化します。締め付けすぎると、ねじ、中心導体、接続面などを損傷する可能性があります。

高精度測定では、指定されたトルクレンチを使用します。

・　コネクタを手で位置合わせする
・　ねじ山を正しくかみ合わせる
・　コネクタ本体を回転させない
・　指定されたトルクで締め付ける
・　ケーブルへねじれを加えない
・　接続面を清潔に保つ

製品ごとの指定トルクに従ってください。

　
　
■SMAとRP-SMAの違い

SMAとRP-SMAは外観が似ていますが、中心コンタクトの構造が異なります。

RP-SMAはReverse Polarity SMAの略で、無線LAN機器などに使用されることがあります。標準SMAとRP-SMAを誤って組み合わせると、正常に接続できない、または中心導体が接触しない場合があります。

購入や接続前には、次の点を確認します。

・　標準SMAまたはRP-SMA
・　プラグまたはジャック
・　中心コンタクトのピンまたはソケット
・　特性インピーダンス
・　対応周波数

外側のねじ形状だけで判断しないことが重要です。

　
　
■N型コネクタとは

N型コネクタは、ねじ式の結合構造を持つ比較的大型の同軸コネクタです。

機械的に堅牢で、屋外設備、高周波機器、アンテナ、無線通信、比較的大きな電力を扱う測定などに使用されます。

主な特長は、次のとおりです。

・　堅牢なねじ式接続
・　優れたシールド性能
・　比較的高い電力への対応
・　屋外用途へ対応する製品がある
・　50Ωと75Ωのタイプが存在する

50Ωと75ΩのN型コネクタには機械的な違いがある場合があり、誤った組み合わせはコネクタ損傷につながる可能性があります。

　
　
■MCXコネクタとは

MCXコネクタは、小型のスナップオン式同軸コネクタです。

ねじを使用せず、押し込むことで接続できるため、小型機器や狭い場所での信号接続に適しています。

主な用途には、次のものがあります。

・　小型測定モジュール
・　組込み機器
・　PCB上の信号接続
・　センサー信号
・　高密度な同軸接続
・　小型プローブアクセサリ

着脱が容易ですが、接続状態、対応周波数、挿抜耐久性などを確認して使用します。

　
　
■MMCXコネクタとは

MMCXコネクタは、MCXよりさらに小型のスナップオン式同軸コネクタです。

小型無線機器、GPS機器、組込み基板、小型センサーなどに使用されます。狭い基板上へ実装しやすい一方、機械的に小さいため、横方向の力や無理な引張りに注意が必要です。

MMCXケーブルを取り外すときは、ケーブルを引っ張らず、コネクタ部分を保持して指定方向へ外します。

　
　
■MCXとMMCXの違い

MCXとMMCXは、どちらも小型のスナップオン式コネクタですが、寸法と構造が異なります。

・　MCX：小型で比較的扱いやすい
・　MMCX：MCXよりさらに小型
・　MCX：保持力や作業性を確保しやすい
・　MMCX：高密度実装に適している

互いに直接接続することはできません。必要な場合は、対応する変換ケーブルまたはアダプタを使用します。

　
　
■コネクタのプラグとジャック

同軸コネクタには、プラグとジャックがあります。ただし、外側のねじや本体形状だけでなく、中心コンタクトの構造も確認する必要があります。

製品資料では、次のような表現が使用されます。

・　プラグ
・　ジャック
・　オス
・　メス
・　ピンコンタクト
・　ソケットコンタクト

メーカーによって表記方法が異なる場合があります。購入時には、接続相手のコネクタ写真、図面、型名を確認します。

　
　
■特性インピーダンスを統一する

高速・高周波測定では、信号経路全体の特性インピーダンスを統一することが基本です。

50Ωの測定系では、次の構成品を可能な限り50Ωで統一します。

・　信号源
・　同軸ケーブル
・　コネクタ
・　変換アダプタ
・　終端器
・　オシロスコープ入力
・　測定治具
・　PCB伝送線路

一部へ75Ω部品や高インピーダンスの分岐を追加すると、不整合による反射が発生する場合があります。

　
　
■変換アダプタの影響

BNC－SMA、N型－SMA、MCX－SMAなどの変換アダプタを使用すると、異なるコネクタ間を接続できます。

ただし、アダプタを追加すると、次の影響が発生する可能性があります。

・　挿入損失の増加
・　反射特性の悪化
・　帯域幅の低下
・　位相遅延の増加
・　接続部の増加による接触不良
・　機械的負荷の増加
・　最大電圧や電力定格の低下

複数のアダプタを連続して接続することは避け、可能であれば一つの適切な変換ケーブルを使用します。

　
　
■コネクタの周波数上限

同じ種類のコネクタでも、製品の設計、材質、寸法精度、実装方法によって対応周波数が異なります。

例えば、SMA形状であっても、すべての製品が同じ周波数まで使用できるわけではありません。

確認すべき項目は、次のとおりです。

・　メーカーが保証する周波数範囲
・　挿入損失
・　反射損失
・　VSWR
・　特性インピーダンス
・　使用ケーブルとの組み合わせ
・　PCB実装部の構造

コネクタ単体の性能が高くても、基板への実装部分が適切でなければシステム性能は低下します。

　
　
■最大電圧と最大電力

コネクタには、最大電圧と最大電力の定格があります。

最大定格は、周波数、周囲温度、気圧、コネクタの組み合わせなどによって低下する場合があります。

高電圧や高周波電力を扱う場合は、次の項目を確認します。

・　最大動作電圧
・　絶縁耐電圧
・　最大RF電力
・　周波数によるディレーティング
・　温度によるディレーティング
・　使用高度
・　コネクタ間の空間距離
・　使用するケーブルの定格

小型コネクタは、高帯域であっても高電圧測定に適さない場合があります。

　
　
■PCB実装コネクタの注意点

PCB実装コネクタには、エッジマウント型、垂直実装型、ライトアングル型などがあります。

高速信号では、コネクタからPCB伝送線路への変換部分がインピーダンス不連続になりやすいため、パッド、ビア、グランド配置などを適切に設計します。

主な注意点は、次のとおりです。

・　メーカー推奨ランドパターンを使用する
・　信号ビアの周囲へグランドビアを配置する
・　不要なスタブを短くする
・　信号線の幅を適切に設計する
・　基板厚と誘電率を考慮する
・　コネクタのグランドを低インダクタンスで接続する
・　はんだ量を適切に管理する

必要に応じて、TDRやネットワークアナライザで実装状態を評価します。

　
　
■同軸ケーブルの選び方

コネクタが適切でも、同軸ケーブルの仕様が測定条件に合っていなければ、信号が減衰または反射します。

確認すべきケーブル仕様は、次のとおりです。

・　特性インピーダンス
・　対応周波数
・　周波数当たりの減衰量
・　最大電圧
・　最大電力
・　伝搬遅延
・　シールド性能
・　曲げ半径
・　温度範囲
・　コネクタとの適合性

高周波では、ケーブルが長くなるほど損失と位相遅延が増加します。

　
　
■ケーブルを曲げる際の注意点

同軸ケーブルを規定より小さい半径で曲げると、内部導体と外部導体の位置関係が変化し、特性インピーダンスが変わる場合があります。

繰り返し曲げることで、内部断線やシールド損傷が発生する可能性もあります。

・　最小曲げ半径を守る
・　コネクタ根元を急角度で曲げない
・　ケーブルをねじらない
・　ケーブルを持ってコネクタを抜かない
・　重量物をケーブルの上へ置かない
・　高精度ケーブルは同じ配置で使用する

位相測定や複数チャンネル測定では、ケーブルの配置変化が測定結果へ影響する場合があります。

　
　
■コネクタの清掃

コネクタの接続面にほこり、油、金属粉などが付着すると、接触不良や高周波特性の悪化につながります。

清掃時には、メーカーが指定する方法と工具を使用します。

・　接続前に外観を確認する
・　中心導体に変形がないか確認する
・　乾燥した清潔な状態を保つ
・　指定された清掃用品を使用する
・　研磨材を使用しない
・　清掃後に異物が残っていないことを確認する

電源を切り、信号を取り外した状態で清掃してください。

　
　
■コネクタの接触不良

接触不良があると、次のような症状が発生します。

・　波形が断続的に消える
・　ケーブルを動かすと振幅が変化する
・　ノイズやスパイクが増える
・　高周波成分だけが減衰する
・　反射やリンギングが増える
・　測定値の再現性が低下する
・　トリガが不安定になる

別のケーブルやアダプタへ交換して比較すると、原因を切り分けやすくなります。

　
　
■コネクタの機械的負荷

大型アダプタや複数の変換部品をオシロスコープ入力へ直接接続すると、BNCやSMAコネクタへ大きな機械的負荷が加わります。

機械的負荷を減らすには、次の方法が有効です。

・　短いフレキシブルケーブルを使用する
・　重いアダプタを支持する
・　ケーブルを固定する
・　横方向の力を加えない
・　測定器のコネクタを持って移動しない
・　接続中の衝撃を避ける

コネクタの変形は、接触不良だけでなく測定器内部の損傷につながる場合があります。

　
　
■コネクタ選定時の確認項目

測定用コネクタを選定するときは、次の項目を確認します。

・　コネクタの種類
・　プラグとジャックの組み合わせ
・　特性インピーダンス
・　対応周波数
・　挿入損失
・　反射特性
・　最大電圧
・　最大電力
・　挿抜耐久性
・　ケーブルとの適合性
・　PCB実装方式
・　使用環境

高周波性能だけでなく、着脱頻度、作業スペース、機械的強度も考慮します。

　
　
■用途別の選び方

代表的な用途とコネクタの選択例は、次のとおりです。

・　一般的なオシロスコープ測定：BNC
・　パッシブプローブ接続：高インピーダンスBNC入力
・　50Ω同軸測定：50Ω BNCまたはSMA
・　高周波・高速信号：SMA
・　屋外・無線設備：N型
・　小型組込み機器：MCX
・　高密度小型基板：MMCX
・　頻繁な着脱：耐久性と操作性に優れたコネクタ
・　高電圧測定：専用の高電圧コネクタおよびプローブ

実際の選定では、測定器と被測定物の両方の仕様を確認します。

　
　
■まとめ

BNCは一般的なオシロスコープとプローブ接続、SMAは高周波・高速信号、N型は堅牢性や比較的大きな電力が必要な用途、MCXとMMCXは小型機器や高密度実装に使用されます。

コネクタを選ぶときは、形状だけでなく、特性インピーダンス、対応周波数、最大電圧、最大電力および機械的耐久性を確認します。

変換アダプタやケーブルを含む信号経路全体の仕様を統一し、不要な接続部を減らすことが、反射や損失を抑えた正確な測定につながります。

　
　
■T&Mコーポレーション株式会社の取り扱い製品

T&Mコーポレーション株式会社では、BNC、SMA、N型、MCX、MMCXなどの各種コネクタ、同軸ケーブル、変換アダプタ、終端器、PCB実装アクセサリおよびオシロスコープ用プローブを取り扱っています。

測定周波数、特性インピーダンス、最大電圧、接続機器および実装条件に応じた製品をご提案します。コネクタや変換アダプタの選定、オシロスコープとの接続方法についても、お気軽にお問い合わせください。